(毕业论文 页数:4 字数据:4196)摘 要：本文介绍了高校自动化专业的教学实验改革方案及其实施。本方案以其很强的可性和强大的扩展功能得到了实验老师及其学生们的一致好评。
关键词：系统与控制；先进控制；计算机控制；实验教学研究
目录
一、主要教学实验改革思想
二、教学实验改革特点
三、教学实验配置与实施
四、实验系统的应用情况
五、结 论
自动化是一门面向被控对象，解决实际问题的学科。一方面，它要求学生必须掌握专门的自动控制理论；另一方面，还要求学生将所学到的理论与解决实际问题相结合。所以自动化专业的学生应当具有对控制系统进行分析、设计、仿真以及实验的综合能力。社会对自动化学科的本科生提出更高的要求。高水平大学建设也要求科大的本科生比一般高等学校的学生应具有更强的动手实验能力和解决实际问题的能力，这也正是本科生教学实验中所能表现出的“高水平”之处。而这些只有通过在教学实验过程中，采用较高水平的教学设备与实验仪器，使本科生在学习理论的同时，真正在计算机控制的较复杂系统上进行较为综合的实验练习与训练方能达到。作为为国民经济服务的一个重要的技术学科，国家对自动化专业人材的需求已经大大增加。近五年来，我系的学生人数增加到90年代初的4倍多。面对这一形势，如何满足学生人数急剧膨胀带来的教学实验需求？如何培养符合时代要求的创新人才，已成为实验教学研究的重要内容。
一、主要教学实验改革思想
在我校“高水平大学教学实验室建设”大力支持下，结合教学计划修订和新教改方案，我们把过的自动检测、控制电机、单片机原理和控制系统四个实验室拆掉后有机地整合起来，建立起了“系统与控制实验室”。这是一个综合性实验室。这样可以合理利用有限的资金、有限的场地，使软硬资源共享，仪器设备综合利用，达到以最小的投资产生最大的教学效益。其主要思想是：以典型、有代表性的被控对象为核心，采用计算机控制，依托网络系统，构成模块化的教学设备；以先进的系统软件和应用软件为基础，构成系统建模、分析、仿真、控制器设计、常规控制、先进控制的软件环境。软件环境和硬件设备有机结合，是本项目的最大特点。我们经过多年的教学实验研究和改革，在《自动控制原理》实验教学环节上，从95届本科生起，就在国内率先采用当今世界先进的Matlab和Simulink设计软件,用于实验数据分析处理和设计校正装置。在《计算机控制基础》实验课上，自行研制了电烤箱温度控制装置。经过几次改进，现在外形设计和质量有了很大提高，目前，已在该设备上进行了《计算机控制基础》和《模糊控制理论及应用》等两门实验课5届学生的实验教学，收到了很好的教学效果。在近几年来，由于各高校扩招，学生人数急剧膨胀，教学实验需求加大，导致许多高校实验教学质量下滑。我们学校虽然也扩大了招生数量，碰到了与其它学校同样的困难，但我们合理利用场地和软硬件资源，以最小的投资产生出了最大的教学效益。我校的控制类实验教学质量不仅没有下滑，而且增加了许多综合性、设计性的实验，并得到链访的国内外专家学者的一致好评。
二、教学实验改革特点
系统与控制实验应具有基础性、综合性和多用性、先进性、可发展性等四大特点。
1. 基础性特点主要体现于开设的9门实验课程，它覆盖了自动化学科实验教学的全部内容。学生通过基础性实验加深对基础性理论的理解，并通过灵活运用以获得能力和素质的提高。目前已能满足本科生实验教学的要求，尚需进一步解决研究生实验教学的需求。
2. 综合性、多用性的特点主要体现于：
保留必要的基础性实验，精简内容单一的验证性实验，增开提高学生动手能力的设计性、综合性实验。将原单片机实验室、技能训练实验室和控制电机实验室并入控制系统实验室。以控制理论、控制工程为基础，将自动控制技术、检测元件、执行机构、被控对象、先进控制与优化等教学研究内容融为一体。把系统与控制实验室改、扩建为先进的多功能综合实验室。我们通过相应接口，把具有典型性、代表性的被控对象与计算机构成了各组实验，各组实验又通过网络构成了一个现代化的实验教学平台。在该平台上已彻底打破了按各自课程设立实验装置的框框，其实验装置可以为多门课程服务，既可单独做传感器技术、自动化元件、计算机接口（A/D、D/A）实验，又可做系统综合实验。
由于实验室并不是简单的合并，而是有机的结合，因此硬件设备互补，资源共享。特别是PC机作为多种控制对象的控制器，配上相应接口，可以为许多实验共用。如水箱液位、倒立摆平衡、电烤箱温度控制等。
3. 先进性特点主要表现如下：
（1）利用计算机运算速度和逻辑处理能力，构建了一个先进控制系统实验平台。服务器配有大量实验及开发软件，学生们可用当今世界先进的Matlab和 Simulink 软件，进行系统建模、分析、仿真和综合设计。过的控制器，常常是用模拟元件，例如运算放大器来实现，通过改变电阻电容来改变控制器参数。现在利用计算机作为控制器，控制方案的改变和参数的调整变得相当容易。而且，用计算机完成诸如Bode图、根轨迹图、尼氏图、时域响应曲线的绘制，提高了实验水平和实验效率。另外，充分利用PC机的资源，特别是使用Windows下的VC编程，人机界面友好。同时还省掉了万用表、信号发生器、记录仪和示波器。例如，倒立摆的计算机控制是很复杂的，利用Matlab 和Simulink，从繁重的系统分析和设计中解脱出来；又如过自动控制原理实验，控制参数的计算是由手工完成的，而控制器校正网络的实现是在运算放大器上实现的。现在我们在国内率先使用matlab和simulmic软件，深受欢迎。
（2）将科研成果转化为实验条件。在水箱液位系统，引入动态矩阵和模型预测控制策略，进行液位控制和双容水箱多变量解耦控制。水箱中液位控制问题和电烤箱中温度控制问题，在工业过程中普遍存在，具有代表性而非常典型、实用。而且对时延问题的研究和双容水箱的多变量解耦控制反映了当今控制的先进水平。
（3）倒立摆是现代控制理论与应用的最典型装置。目前我们已经实现了单级摆、二级摆和平行摆的计算机控制，并多次接待国内外朋友的参观，受到同行的好评。倒立摆的平衡控制具有一定的难度，而多级倒立摆的实时控制具有一定的先进性。其中控制算法用到了最优二次型性能指标和闭环极点配置，以及神经网络模糊控制技术。
（4）在电烤箱温度控制系统的研制中，其设计思想体现了多年在工业过程控制领域中取得的成果。并把模糊控制、预测控制等先进的过程控制算法引进到实验研究内容中，这对于促进专业实验的改革，将高水平的科研成果转化为高水平的教学实验是一种有益的尝试。
（5）先进控制系统实验平台具有分布式结构、灵活易扩展。它包含着有关信息处理和网络通迅的相关研究课题，为进一步构成分级递阶的分布式结构、研究集散控制系统提供了基础，为可持续发展创造了条件。
可持续特点表现如下：
（1）突出创新能力。保留必要的基础性实验，精简内容单一的验证性实验，增加知识面广的综合性、设计性和创新性实验。
（2）软件仿真与硬件设计统一。在国内率先使用Matlab 和Simulink软件。作为计算机辅助教学，将其增加到自动控制原理教学实验内容中。虽然没有增加实验学时，但提高了实验效率和水平。
（3）单个训练与综合设计统一：打破按课程设立实验的框框，将控制电机、单片机、技能训练和控制系统实验室有机合并，构建系统与控制实验室，既可为各自课程开设实验，又可做符合现代工业、科学技术水平要求的综合性系统实验。
(4)实验教学与科研相融合：将科研成果转化成教学实验设备。新研制的电烤箱温度控制系统的许多设计思想，来自我们在工业过程控制领域中取得的各种科研成果，并把先进的控制算法引入实验研究内容。
（5）一个平台，多个扩展：由模块化教学设备组成的该平台具有分布式结构，灵活易扩展。可进一步增加或更新实验内容。还可构成分级递阶的分布式结构、研究集散控制系统，为可持续发展创造了条件。
三、教学实验配置与实施
1. 专业基础性实验套数按40套规模配置，以适应学生人数急剧膨胀带来的教学实验需求,并做到一人一组的实验教学需求，充分锻炼学生的动手能力；
2. 专业层次较高的实验，由于设备相对昂，只能按10套进行配置。但是我们的实验教学必须上一个台阶，将过本科生用作毕业论文的实验内容提前用于高年级本科生实验。我们选择了少量典型性、代表性和综合性好的被控对象，如倒立摆、液位控制系统等，以前只有少量学生在做毕业论文时才能接触到的东西（设备、知识背景），在这次建设时也让学生做了些前期工作。虽然由于经费问题只能按10台进行配置，但也基本满足了学生的实验要求。
3. 为了开出综合性、研究性实验，根据现已购置的设备，采用了如下方式开发出高层次高档次的实验内容来：一是年青教员投入，二是研究生开发实验算作助教，三是利用本科生做毕业论文来开发新的实验内容，同时列入大学生研究计划。将过仅给本科生作毕业论文用的内容改为高年级本科生做。
4. 自制教学设备
利用寒暑假，在新制作的实验台上，合理布线，焊接连接插头等。
新制做40套计算机温度控制系统，经过几次改进、现在外形设计和质量有提高，并已在该设备上进行了“计算机控制基础”和“模糊控制理论及应用”实验教学。
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